油管油桿即時(shí)清洗設(shè)備的研制及應(yīng)用

馬 潮，房利利，吳 鵬，房海濤

1.中國石油集團(tuán)渤海石油裝備制造有限公司石油機(jī)械廠，河北任丘 062552

2.華北油田公司勘探開發(fā)研究院，河北任丘 062552

3.中國石油集團(tuán)渤海鉆探工程有限公司第五鉆井工程分公司，河北河間 062465

通過及時(shí)清除抽油桿外壁及油管內(nèi)外壁上的結(jié)蠟和污垢，可以有效提升油井的產(chǎn)量[1]。傳統(tǒng)的清洗方法是在修井作業(yè)中利用修井機(jī)將油桿、油管起出，然后將其放置在管架上，再利用高溫、高壓熱水或蒸汽對其進(jìn)行清洗。這種方法能源浪費(fèi)嚴(yán)重，作業(yè)時(shí)間長，對環(huán)境的污染大。以雄安新區(qū)附近某采油廠為例，該采油廠年檢修約590余口井，檢修作業(yè)時(shí)，單井地面清蠟在150 kg以上。新環(huán)保法要求企事業(yè)單位和其他生產(chǎn)經(jīng)營者應(yīng)當(dāng)對其所造成的損害依法承擔(dān)責(zé)任，因此對修井作業(yè)提出了更高的環(huán)保要求[2]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

傳統(tǒng)的清洗方法是在地面管架上對起出的油桿、油管進(jìn)行清洗，如圖1所示。針對傳統(tǒng)作業(yè)存在的問題，設(shè)計(jì)了一種新式油管、油桿清洗設(shè)備。利用該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)油管、油桿在提出井口過程中將其清洗干凈（即提即洗），從而不影響油井其他作業(yè)工序的進(jìn)行。并可實(shí)現(xiàn)直接在井下對油管內(nèi)壁進(jìn)行連續(xù)清洗，單次作業(yè)深度可達(dá)500 m；同時(shí)現(xiàn)場生成的污油、污水全部密閉回收，不會對環(huán)境造成污染。該系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。

圖1 傳統(tǒng)檢修作業(yè)地面油管油桿清蠟現(xiàn)場

圖2 清洗設(shè)備系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)主要由水箱、柱塞泵、鍋爐、軟管起下器、專用清洗器、回收泵、污水箱構(gòu)成，具有加熱、清洗、回收三大功能。專用清洗器包括油桿外壁清洗器、油管內(nèi)壁清洗器、油管外壁清洗器。工作時(shí)，利用鍋爐、柱塞泵和清洗器，形成有一定噴射角度的高溫、高壓扇形射流，將油桿、油管外壁的油污進(jìn)行一次剝離[3]，然后利用清洗器上的密封膠圈刮除殘余污垢。待油桿全部起出后，可以利用連續(xù)軟管起下器，將抗拉膠管及特制清洗頭輸入井下油管內(nèi)部，對油管內(nèi)壁進(jìn)行連續(xù)清洗。清洗過程中利用回收泵、連接設(shè)備上的專用回收接口，可將清洗過程中產(chǎn)生的污油、污水及時(shí)回收。

1.2 油桿外壁清洗工藝

提桿作業(yè)前，先將油桿清洗器安裝在采油樹上。如圖3所示，鍋爐中的熱水經(jīng)過清洗泵加壓后，直接送入油桿清洗機(jī)構(gòu)，在油桿提升過程中，油桿清洗機(jī)構(gòu)內(nèi)形成有一定噴射角度的高溫、高壓熱水，在溫度和清洗力的雙重作用下，將油桿清洗干凈，殘余的污垢[4]則利用頂部密封膠圈刮除。清洗產(chǎn)生的污水通過清洗器的回收接口，經(jīng)回收泵回收。

1.3 油管內(nèi)壁清洗工藝

圖3 油桿外壁清洗工藝示意

所有油桿起出完畢后，提出部分油管，安裝井口防噴器，連接油管內(nèi)壁清洗器的井口裝置與油管，準(zhǔn)備清洗油管內(nèi)壁。利用軟管起下器將軟管及特制清洗頭送入油管內(nèi)部。啟動鍋爐、清洗泵及軟管起下裝置將清洗頭逐步提升，該清洗頭同樣產(chǎn)生有一定噴射角度的高溫、高壓熱水，邊提升邊對油管內(nèi)壁進(jìn)行沖洗，清洗速度可達(dá)到1.5 m/s。產(chǎn)生的油水混合物自動向上浮動，通過井口裝置并利用回收泵進(jìn)行回收。該清洗工藝過程如圖4所示。

圖4 油管內(nèi)壁清洗示意

1.4 油管外壁清洗工藝

油管外壁清洗工藝與油桿外壁清洗工藝基本相同，只是油管外徑較大。一般情況下，經(jīng)過清洗油管內(nèi)壁后，油管外壁的結(jié)蠟已基本溶化，此時(shí)用油管外壁清洗機(jī)構(gòu)上的刮油器裝置刮一下即可[3]。

2 部件設(shè)計(jì)選型與性能參數(shù)

2.1 油桿外壁清洗器的設(shè)計(jì)

在油桿外壁清洗工藝中，為了實(shí)現(xiàn)對清洗污水的回收，整個(gè)環(huán)節(jié)需要在一個(gè)密閉環(huán)節(jié)中運(yùn)行。為了產(chǎn)生高壓扇形水流，特別定制了一種噴頭，其結(jié)構(gòu)為扁口結(jié)構(gòu)，噴口截面長約2 mm，寬約0.8 mm。抽油桿外螺紋臺肩最大外徑為50.8 mm，因此腔體通徑按55 mm設(shè)計(jì)即可滿足使用要求。在清洗器頂部利用彈性較強(qiáng)的加厚膠皮套圈做密封結(jié)構(gòu)及刮油裝置。連接井口配套法蘭后，熱水通過進(jìn)口進(jìn)入腔體，通過噴頭產(chǎn)生高壓扇形水流，抽油桿被修井機(jī)提起時(shí)，通過腔體內(nèi)部被清洗干凈，殘余的污垢被膠皮套圈刮除，清洗產(chǎn)生的污油、污水通過回收接口回收至井場污水箱內(nèi)。其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示，實(shí)物照片如圖6所示。

圖5 油桿外壁清洗器結(jié)構(gòu)示意

圖6 油桿清洗器實(shí)物

2.2 油管外壁清洗器的設(shè)計(jì)

油管外壁清洗器的設(shè)計(jì)原理與油桿外壁清洗器相似，需考慮的是油管的結(jié)構(gòu)及尺寸，API油管一般最大加厚外徑為95.25mm，則油管外壁清洗器的腔體內(nèi)徑需要按照該尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，其成品如圖7所示。

圖7 油管外壁專用清洗器實(shí)物

2.3 油管內(nèi)壁清洗器的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述油管內(nèi)壁清洗工藝要求，油管內(nèi)壁清洗器主要由特制清洗頭、抗拉膠管、井口裝置等構(gòu)成。特制清洗頭由扁口噴嘴及由圓鋼鍛件加工成的內(nèi)徑小于油管內(nèi)壁的環(huán)向噴頭構(gòu)成?？估z管采用市場上一款耐高壓高溫的膠管，膠管外徑30 mm，每百米質(zhì)量約100 kg，可承受16 MPa的壓力及150℃的高溫，并保證在垂懸狀態(tài)下小于千分之一的變形量。井口裝置如圖8所示，包含用于連接抽油管與回收泵的油管三通、導(dǎo)向滑輪等結(jié)構(gòu)。

圖8 油管內(nèi)壁專用清洗機(jī)構(gòu)示意

2.4 軟管起下器的設(shè)計(jì)

軟管起下器結(jié)構(gòu)如圖9所示，包括框架、排線器、膠管卷筒、傳動結(jié)構(gòu)、減速器及電機(jī)。考慮到設(shè)備在后期會集成到二類底盤車臺上，框架最大寬度尺寸控制在2 500 mm（防止車輛超寬）。排線器采用往復(fù)絲杠的工作原理，旋轉(zhuǎn)角速度與膠管卷筒旋轉(zhuǎn)角速度比值為1，導(dǎo)程與膠管直徑相同。根據(jù)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，膠管卷筒直徑取1.5 m、長2 m，則在卷筒上滿鋪一層膠管時(shí)，膠管的展開長度約為314 m。傳動結(jié)構(gòu)采用齒輪鏈條傳動，該結(jié)構(gòu)簡單可靠，調(diào)整方便。減速器選用效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)的擺線針輪減速器，其減速比為87。根據(jù)計(jì)算，電機(jī)選用11 kW變頻剎車電機(jī)（YEJ-160M-4），其制動時(shí)間小于0.5 s，膠管提升速度可達(dá)到1.5 m/s。

2.5 系統(tǒng)壓力的確定

清洗壓力與油井結(jié)蠟程度成正比，即結(jié)蠟越嚴(yán)重，需求的壓力越高。在壓力的選擇上目前還沒有可供參考的文獻(xiàn)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，得出當(dāng)泵端壓力達(dá)到10 MPa時(shí)，配合高溫?zé)崴肮斡湍z圈即可滿足使用要求。

圖9 軟管起下器結(jié)構(gòu)示意

2.6 系統(tǒng)流量的確定

系統(tǒng)流量可按下式確定：

式中：W為流量，m3/s；μ為流量系數(shù)，根據(jù)管路結(jié)構(gòu)，取0.65；A為出口截面積，m2，系統(tǒng)中有4個(gè)噴嘴，流通截面積約為6.4×10-6m2；P為壓力，Pa，系統(tǒng)壓力為10× 106Pa；ρ為液體密度，kg/m3，此處為水的密度，取1 000 kg/m3。

經(jīng)計(jì)算得到，W=0.65×6.4×10-6×（2×10×106/1 000）0.5=58.8×10-5（m3/s）。即理論系統(tǒng)流量約為2.12 m3/h，考慮各種損失，可將綜合流量定為3 m3/h。

2.7 確定水箱容積

在系統(tǒng)中，水是最基本的工作介質(zhì)，因此需要設(shè)備自備儲水容器，即水箱。為使設(shè)備滿足緊湊的布局，需要確定最合理的水箱容積。從資源深度分布來看，我國石油可采資源有80%集中分布在淺層和中深層，而深層和超深層分布較少。因此若設(shè)備能滿足2 000 m井深工況，即可滿足大部分油井的油管油桿清洗需要，而對于深層油井的洗井可以增配水罐車。

按單根油桿油管長8 m計(jì)算，2 000 m井深合計(jì)約有500根油桿油管。修井機(jī)提升油桿油管的速度一般為10 s/根，系統(tǒng)在油桿油管提升過程中供水清洗，非提升作業(yè)時(shí)內(nèi)部自循環(huán)，故500根油管油桿清洗時(shí)間共計(jì)約5 000 s。在清洗油管內(nèi)壁時(shí)，清洗速度即提升速度為1.5 m/s，則油管內(nèi)壁清洗時(shí)間約為1 333 s。以上兩種工況綜合清洗時(shí)間約為1.75 h，即清洗單井油管油桿的綜合用水量為5.3 m3，因此將水箱容積定為6 m3即可滿足使用要求。

2.8 鍋爐選型

清洗過程中，鍋爐的工作狀態(tài)會發(fā)生變化。在油桿油管提升過程中清洗時(shí)，因?yàn)槭情g歇工作，需求的功率最小；在清洗油管內(nèi)壁時(shí)，因?yàn)槭沁B續(xù)工作，需求的功率最大。

（1）最大功率計(jì)算。單位時(shí)間內(nèi)將3 m3的水加熱到100℃所需的熱量可按下式計(jì)算：

式中：Q為總熱量，J；C為介質(zhì)的比熱容，水為4.2 kJ/（kg·℃）；M為總質(zhì)量，kg；δT為溫度變化，℃。

經(jīng)計(jì)算，Q=4.2 kJ/（kg·℃） ×1 000 kg/m3×3 m3× 100℃ =1 260× 106J，則功率P=Q/t=350 kW，按熱效率為90%計(jì)算，則需要燃燒器最大功率為389 kW。

（2）最小功率計(jì)算。提升油管油桿過程中，約有10 s的時(shí)間需要用高壓熱水，約有50 s的時(shí)間在安置管桿，該過程不需用高壓熱水。10 s時(shí)間內(nèi)需要的水量約為3×10/3 600=0.008 4 m3。50 s時(shí)間內(nèi)將0.008 4 m3的水加熱到100℃需要的熱量為Q=4.2 kJ/（kg·℃） ×1 000 kg/m3×0.008 4m3×100℃=3.528×106J，則功率P=70.56 kW，按熱效率為90%計(jì)算，則需要燃燒器最小功率為78.4 kW。因此選取適合的百得或百特斯燃燒器做成比例機(jī)型均可滿足要求。

2.9 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)電路如圖10所示，采用井場用電為系統(tǒng)提供能源，利用控制柜對柱塞泵、冷卻風(fēng)扇、回收泵等進(jìn)行控制。

同時(shí)控制系統(tǒng)需要對水溫、水壓及收卷機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。采用溫度傳感器測量鍋爐出口水溫，通過智能表顯示，利用燃燒器自帶的比例調(diào)節(jié)儀調(diào)整火焰大小。采用壓力傳感器對鍋爐的進(jìn)出口水壓進(jìn)行監(jiān)測，為防止安全閥失效，需要超壓報(bào)警。用編碼器檢測膠管的下降和上升速度及距離，通過變頻器調(diào)節(jié)驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻器采用旋鈕控制，低壓啟動，實(shí)時(shí)顯示清洗器的運(yùn)動速度。當(dāng)清洗器在油井中的深度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，停止下降。油管內(nèi)壁清洗作業(yè)時(shí)，在清洗噴頭距離井口20m處開啟警示提醒。

圖10 控制電路

2.10 系統(tǒng)性能參數(shù)

各主要部件集成為系統(tǒng)后，其主體結(jié)構(gòu)如圖11所示，整機(jī)性能參數(shù)見表1。

圖11 系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)示意

表1 整機(jī)性能參數(shù)

3 應(yīng)用及推廣

該設(shè)備及相關(guān)機(jī)構(gòu)已申請國家專利，目前已在華北油田、大港油田、遼河油田進(jìn)行了數(shù)十口井的試驗(yàn)，經(jīng)清洗后的油井，其日產(chǎn)油量均有提升，生產(chǎn)曲線如圖12所示。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖13所示。清洗過的油桿、油管達(dá)到了預(yù)期的效果，無需再進(jìn)行二次地面處理，其清洗效果對比如圖14所示，且現(xiàn)場做到了油污不落地。油井檢修作業(yè)時(shí)間因此縮減50%，油井得以更快復(fù)產(chǎn)。

4 結(jié)束語

該設(shè)備已成功地通過了現(xiàn)場的試驗(yàn)應(yīng)用，經(jīng)后期開發(fā)可做成撬裝式結(jié)構(gòu)或者利用二類底盤改裝成油田專用車[5]。在油桿清洗機(jī)構(gòu)上，也可繼續(xù)研究加裝超聲波探傷裝置，實(shí)現(xiàn)在油桿提升過程中的在線監(jiān)測，對不適合再次下井的油桿及時(shí)進(jìn)行剔除更換。

圖12 某油田采油井生產(chǎn)曲線

圖13 清洗作業(yè)現(xiàn)場

圖14 清洗效果對比

隨著社會的進(jìn)步，環(huán)保作業(yè)將是今后主要的發(fā)展方向。本設(shè)備既能提高清洗效果，縮短油井檢修時(shí)間，又能實(shí)現(xiàn)環(huán)保作業(yè)，具有較高的社會經(jīng)濟(jì)效益，應(yīng)用前景廣闊。